浅埋风积砂质黄土隧道变形综合控制技术研究*

王开洋 余相贵 林达明 徐才坚

(①云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650011，中国)

(②交通运输部公路科学研究院，北京 100088，中国)

0 引 言

从1890年台湾基隆狮球岭隧道修建至今，我国交通运输隧道工程建设已经发展100余年，大量隧道工程的修建为后人提供了宝贵的经验。作为世界上最大的黄土分布区，多年来我国在黄土地区修建了大量的隧道工程。20世纪50年代前我国黄土隧道施工主要采用单工序作业、先拱后墙法(张翾，2010)，技术手段落后，人工依赖程度大。20世纪50～70年代，黄土隧道的施工多采用上导坑法或下导坑法，隧道采用木质框架式结构，扩大扇形支撑，结构设计不合理，稳定性较差。到了20世纪80年代，大秦铁路军都山隧道(王梦恕等，1987)和神朔线的蛇口峁隧道(刘勇等，2002)均采用了新奥法施工，三台阶开挖，初期支护使用喷锚网、二次衬砌使用模筑混凝土的复合式结构，整体技术水平有了较大地提升。随着近年来我国交通建设事业的飞速发展，针对黄土地区隧道施工特有的技术难题，诸多学者开展了大量的研究：如宝中线老头沟隧道黄土偏压单线铁路隧道研究(钟新樵，1996)，宝中线大寨岭隧道新奥法施工研究(罗传义，1993)，管棚在软弱围岩隧道施工中的作用(姬传中等，1999)，双线铁路黄土隧道快速施工技术研究(吴沛，2005)，大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究等(马涛，2007)。早期的研究成果多集中于黄土隧道围岩压力分布特征、施工方法适用性、支护结构类型和参数选取等方面，主要为基础研究，意在为黄土隧道施工建设提供参考。近几年随着我国大量高标准、高难度黄土隧道的开工建设，广大学者在综合应用施工监测数据(赖金星等，2006；夏才初等，2007；王开洋等，2014；黄维新等，2019)、室内外理论试验(王静等，2013；汪波等，2016；李璐等，2017；徐嘉谟等，2018)、新设计施工理念(朱伟等，2003；赵香萍，2014；廖秋林等，2016；尚彦军等，2018；杨继华等，2019)和数值模拟计算(黄林华等，2012；林达明等，2012；王开洋等，2015；张文超等，2017；耿招等，2018)等手段方法的基础上，得到了诸多具有较高参考价值的理论成果，如大断面黄土隧道围岩的工程特性及其分级方法(王晓州，2009)、黄土隧道的变形动态及其地表裂缝发生的规律(任建喜等，2015)、黄土隧道锚杆的作用和大断面黄土隧道施工技术(谭忠盛等，2008)。

本文旨在学习了解前人理论研究成果的基础上，准确认识风积砂质黄土隧道的基本特征、工程特性和变形机理，以便更好地指导实际工程建设。风积砂质黄土区别于普通黄土，其工程特性和变形机理均较特殊，各向异性特性更加明显，土体强度低、结构更为松散。在实际施工中，隧道浅埋段砂质围岩极易受到施工扰动和地下水的影响。岩体松弛压力较大，无法发挥成拱作用。围岩自稳能力差，容易出现段落整体下沉、边墙下塌收敛侵限、地表开裂变形和隧道掌子面塌方等施工地质灾害。选用工程类比法，参考普通黄土隧道的相关理论研究成果(伍振志等，2005；杨建民等，2009；张向东等，2013；赖金星等，2015a，2015b，2015c；台启民等，2016)已不能准确应用到实际工作中。针对上述情况，本文以神华准池铁路朔州隧道为工程依托，选取浅埋风积砂质黄土地层段落，通过现场调查、资料收集、数值模拟分析、工程类比和工程实践等手段，采用迈式管棚超前支护、径向迈式长锚杆锚定和钢拱架支撑联合支护技术控制围岩变形，安全拆除隧道支护侵限段钢拱架。作为隧道最常用超前支护手段，迈式管棚相较于其他超前支护方式刚度更大，稳定性更好，作用范围更广，地表沉降的控制效果也更佳。迈式锚杆、钢格栅和注浆体一起实现了对掌子面影响范围内岩土体的超前加固，较好地提高了被加固地层的岩体强度。迈式管棚、隧道围岩和被加固地层三者相互作用下形成了有效的防护拱结构(贾金青等，2010)，顶部地层的自重荷载可以分布在范围更大的地层内，使得作用在隧道围岩的压力减小，从而减小了支护结构受到的作用反力。围岩变形和地表沉降减小，进一步降低隧道工作面的施工难度，提高了施工进度。实际施工过程中采用了新型钢拱架锁脚锚管加固连接技术，拟在增大缩脚锚管极限承载力、提高加固支撑效果和有效限制钢拱架刚体位移等方面有所突破。风积砂质黄土软弱围岩隧道施工变形综合控制技术研究成果的提出对后续工程有着较好的借鉴和指导意义，具有较高的经济社会效益和推广价值。

1 浅埋风积砂质黄土隧道施工力学效应分析

朔州隧道DK128+690～DK128+880段位于第四系上更新统风积砂质黄土地层内，土体呈浅黄色，结构疏松，垂直节理发育，硬塑，具大孔隙。该段隧道拟采用三台阶临时仰拱法施工，埋深约30～36m，计算模型取平均值33m。隧道采用Vb型复合衬砌，初支采用工20型钢钢架，隧道施工设计满足喷锚构筑法技术等相关技术规范要求《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ 204-2008)(中华人民共和国行业标准编写组，2008)。

1.1 模型计算说明

采用平面应变模型对该段单一洞室进行模拟分析，模型横向取值80m，下边界取值40m。模型垂直方向底面受竖向位移约束，左右、前后方向受水平位移约束，顶面设定为自由面。计算模型中地层及初期支护均采用弹塑性实体单元模拟，锚杆、钢拱架等刚度折算在喷射混凝土中。设定围岩应力释放率为50%，初支容重23kN·m-3，泊松比设定为0.25，弹性模量2×104MPa。参照工程地质勘察资料，围岩砂质黄土容重取值15.5kN·m-3，泊松比设定为0.35，弹性模量120MPa，黏聚力(C)50.3kPa，内摩擦角(φ)20°。计算模型如图1所示。

1.2 模型计算结果

1.2.1 支护内力结果分析

支护内力计算结果如图2所示，轴力分布较均匀，最大值为888.84kN。 弯矩分布较不均匀，最大弯矩出现在左右墙脚处(图2b)，最大值为39.76kN·m。计算得到最大安全系数为3.39，位于截面顶部。最小安全系数为1.51，位于左墙角处(图2c)。结果显示，初期支护措施满足施工安全要求，但现有支护措施富裕度较小，在实际施工过程中如遇到前期勘探未探明的围岩较差区域或特殊地质段落，隧道拱脚位置处支护设计可能无法满足施工安全要求。

1.2.2 支护位移结果分析

支护位移模拟计算结果显示(图3～图5)，隧道上中下台阶施工完成后初支拱顶最大沉降为0.024m，水平向最大位移为0.016m。竖向最大位移为0.026m，位于隧道腰拱位置处。拱顶沉降、竖向位移、水平位移变形量均较小，围岩处于相对稳定状态，初期支护措施满足施工安全要求。

1.2.3 围岩塑性区结果分析

从围岩塑性区分布图中看出，三台阶开挖过后隧道围岩塑性区整体呈X型分布。图6a中，上台阶开挖完成后，围岩塑性区整体呈X型分布。图6b中，中台阶开挖完成后，围岩塑性区的扩展速度逐渐变慢，围岩塑性区增量较小。下台阶开挖结束后，围岩塑性区扩展范围相较中台阶开挖后影响范围变化较小，影响变化区域主要集中于隧道腰拱两侧位置，如图6c所示。

1.2.4 锚杆轴力结果分析

开挖完成初支封闭后，锚杆轴力如图7所示。锚杆全部呈受拉状态，在中下台阶交接锁脚处锚杆受力最大，最大拉力为35.25kN，拱部锁较锚杆可以有效抑制围岩变形及减小支护拱脚下沉。

2 支护侵限段迈式管棚超前支护安全撤换技术

施工过程中，隧道浅埋风积砂质段落发生围岩大变形，上导位置初步支护完成后23.5h后顶部发生下沉和塌陷，拱顶最大下沉量0.89m，最小下沉量0.62m。中导位置出现初步支护衬砌水泥混凝土变形、开裂、剥落、下塌变形且发生侵限，最大下塌变形量1.04m、最大收敛侵限0.091m。该段部分支护钢拱架发生扭曲变形，对应腰拱处锁脚锚管被切断，初步推测可能会发生塌方冒顶。围岩变形段落对应地表处出现多条纵向裂缝和横向裂缝，最大裂缝宽度达0.12m，地表变形开裂范围超前。发生上述情况后及时采取应对措施，具体包括喷锚封闭掌子面，渣土回填封闭洞室，对地表裂缝进行灌浆处理等。作为一种新型的隧道超前支护手段，迈式管棚与迈式(自进式)锚杆(杜明国，2005)组成的管棚支护体系具有锚固质量高、钻注锚一体化施做简便、施工进度快和对施工场地宽度要求低等优势特点，针对本段落风积砂质黄土隧道围岩变形等情况，采用该项技术及时控制隧道施工地质灾害，安全拆换初支钢拱架。

2.1 支护侵限段安全防控措施方法

2.1.1 地表变形裂缝灌浆处理

根据实际测量地表开裂裂缝范围，选用灌浆处理的方法进行防控。实际操作过程中，统计横纵向开裂裂缝间距，利用水泥浆的自重对裂缝进行灌注处理，处理间距约0.3m，灌注水泥浆配比1︰1。灌注过程中采用间隔灌注的方法，待第一位置灌注水泥浆凝固后再错位进行第二位置水泥浆灌注。待全部裂缝处理完毕后，对灌注位置采用水泥砂浆抹缝处理，如图8所示，抹面位置处理为椭球形状，用于防止大气降水持续冲刷、入侵裂缝。

2.1.2 洞内回填封闭处理

如图9所示，围岩变形侵限段，掌子面范围上台阶处，距离顶部约1.5m范围内采用混凝土回填封闭洞室，其余范围包括中台阶和下台阶处采用拉渣回填方式封闭洞室，封面完成后对渣体进行平整整形，堆渣坡面与仰拱平面交角约45°。

2.1.3 拆换拱架

结合隧道净空量测数据、下沉变形侵限情况，确定隧道初支换拱范围。打设径向迈式锚杆，换纵向间距100cm×40cm，呈梅花形布置。锚杆内注水泥浆，待注浆加固后再逐榀拆换下沉侵限段钢拱架。管棚超前支护和径向迈式锚杆注浆支护如图10～11所示。

2.2 支护侵限段安全防控措施方法

应用数值模拟技术，分析迈式管棚超前支护作用下的隧道在各阶段开挖过程中开挖断面对应位置处地表的沉降量、隧道顶部变形位移、围岩塑性区的发展变化、对隧道围岩的扰动和迈式锚杆的受力情况，用以验证该项技术的有效性和可行性，确保后续钢拱架被替换施工的可行性。

2.2.1 数值模拟计算说明

应用数值模拟的方法，参照隧洞实际情况，建立迈式管棚超前支护隧洞三维模型。模型上边界取值30m，设定为自由面。模型左边界和右边界取值40m，设定施加水平方向位移约束。模型下边界取值40m，设定施加对应方向的竖向位移约束。根据隧道浅埋风积砂质黄土段落变形情况，模型纵向长度取值30m，如图12所示。应用Mohr-Coulomb(莫尔-库仑)模型设定隧道围岩，包括混凝土和钢拱架在内的支护衬砌设定为弹性单元、实体结构。初步支护混凝土喷射厚度0.25m，支护环状钢拱架间距0.4m。上台阶和中台阶迈式锚杆施用长度7.5m，间距1m×0.4m。下台阶迈式锚杆施用长度6m，间距1m×0.4m。迈式管棚锚杆单元的力学模型如图12所示，将管棚和加固注浆体视作一个整体，壳体结构，厚度与实际隧道情况相符。壳体整体设定为SHELL单元，加固管棚锚杆设定为CABLE单元。应用滑块-弹簧单元系统模拟隧道在支护完成后，周围应力对环状衬砌加固圈的剪切作用。采用超前支护方式防护迈式管棚锚杆长度7.5m，环向间距设定为0.2m，纵向搭接长度不小于2.5m。

依托施工过程中实际监测数据、隧道支护设计参数和施工前隧道模拟计算结果，选用二差法对参数进行反演计算。即假定泊松比为0.45，对前述所取围岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角运用二差法折减，参照实际施工位移，得到最接近的围岩参数。推算得到隧道围岩变形模量为45MPa，黏聚力(C值)为20kPa，内摩擦角(φ值)为11.5°。

2.2.2 位移控制有效性分析

统计监测断面对应地表位置沉降数据，分析超前迈式管棚支护的有效性。如图14所示，上台阶开挖完成后，对应地表位置最大沉降量为4.9mm。中台阶和下台阶开挖完成后，地表最大沉降量分别为6.1mm和7.4mm。地表沉降大小与距离隧道中线距离成反比，整体呈正态分布。这主要是因为隧道开挖过程中，围岩压力逐步被释放，隧道埋深较浅，且所处地层承载力较低，导致地表发生一定沉降。但在超前迈式管棚的支护作用下，监测断面对应地表位置沉降量总体较小，沉降量小于5mm。随着隧道进一步开挖至整体贯通，隧洞支护成环，隧道受力结构发生改变，呈整体受力。在风积砂质黄土地层内，隧洞呈整体下陷，下降量较下台阶开挖完成后增加较大，达到11.4mm。侧面反映了超前迈式管棚在安全拆换初支钢拱架过程中，起到了较好地防护作用。

如图15、图16所示，初期支护的拱顶下沉主要由上中台阶开挖引起，最大拱顶沉降为30.4mm。水平收敛主要由中台阶开挖引起，水平收敛量为48.5mm。根据隧道实际开挖过程中监测数据，应用迈式管棚超前支护前，拱顶最大沉降量为890mm，水平收敛最大值为91mm。应用后计算模拟显示拱顶最大沉降量为30.4mm，水平收敛最大值为48.5mm，迈式管棚防护作用效果显著。

2.2.3 开挖阶段围岩塑性区发展分析

开挖过程中围岩塑性区的分布和发展如图17所示，在迈式管棚超前支护的作用下，隧道顶部及腰拱处围岩并未出现较大面积的塑性区，隧洞掌子面中台阶左右两侧有少量塑性区出现(图17a。)超前支护作用效果较好，在其支护作用下，上台阶开挖对顶部围岩的扰动较小，为顶部钢拱架的更换提供了较好的防护。随着中台阶和下台阶的开挖，隧道掌子面周围塑性区逐渐扩大。中台阶开挖完成后，主要塑性区集中在中部及下部，分布较均匀(图17b)。下台阶开挖完成后，塑性区主要集中在隧道边墙中下部及仰拱位置，影响范围约1.2倍掌子面开挖宽度(图17c)。隧道上台阶和中台阶处迈式锚杆施用长度7.5m，下台阶处迈式锚杆施用长度6m，由此可见，隧道围岩塑性区的分布与发展和施用锚杆的长度有一定关系，施用锚杆长度越大，效果越好。同时，为防止隧道支护衬砌施做完成后整体出现下沉，应及时对仰拱下方地基进行加固处理。

2.2.4 迈式锚杆作用分析

如图18所示，施工过程中，随着开挖迈式锚杆的轴向作用力逐渐加大。上台阶开挖完成后，顶部锚杆主要收拉，锚杆作用效果较好，最大拉力22.4kN。中台阶开挖完成后，轴力进一步加大，最大拉力达到44.8kN。其中顶部锚杆作用效果较好，左右两侧锚杆拉力较小。下台阶开挖完成后，锚杆轴力分布差异较大，顶部及中部锚杆主要受拉，加固效果较好，最大拉力达到103kN。底部锚杆则呈受压状态，锚杆的加固作用较小。

3 钢拱架锁脚锚管加固连接技术

钢拱架是软弱黄土围岩隧道初期支护结构中重要的组成部分，也是隧道二衬施工前支护的重要内容，拱架本身具有一定刚度、强度和承载能力，能在喷射混凝土未达到强度之前有效控制围岩变形，承担地层压力和约束变形。但传统的锁脚锚管存在着一定的缺陷，当围岩压力大时，锁脚锚管和拱架还没有达到承载力极限时已经断裂，锚管与钢拱架间没有形成整体，过早地丧失其作用，仅通过限制钢拱架位移来抵抗围岩变形，整体稳定性较差，降低了施工安全性。为此，针对浅埋风积砂质黄土隧道侵限段钢拱架和锁脚锚管加固连接结构整体稳定性较差、施工安全性差等问题，引出一种较实用的新型隧道钢拱架锁脚锚管加固连接装置如图19所示。

钢拱架1支立后将定位钢板焊在钢拱架靠贴围岩端，锁脚锚管长度不小于3.5～4m，用Φ42mm小导管加工而成，加固连接时锁脚锚管用风枪打入，锁脚锚管露出端头用连接环形件连接堆焊满，连接环形件由Φ22mm钢筋弯曲而成。定位钢板是由上下两块组成，间距15cm，每块长45cm、宽25cm、厚16mm。锁脚锚管长度为3.5～4m，用风枪打设时要有一定的角度，一般控制在15°～20°，共打设4根。定位孔的孔径为50mm，用氧气割成椭圆形(或钻床打孔)，长控制在13cm以内，钢拱架下端连接端与中导或下导拱架连接板，预留连接螺栓孔。将锁脚锚管打入端加工成马蹄形，减少阻力，方便将锁脚锚管打入围岩中；锁脚锚管与水平方向的夹角约为15°～20°，锁脚锚管斜向打入钢拱架两侧的围岩中，定位钢板上的定位孔为纵向椭圆形孔。

通过实际施工验证得到，新型隧道钢拱架锁脚锚管加固连接装置的使用使得钢拱架与锁脚锚管固定连接效果更好，极限承载能力进一步提高。新技术的使用有效地限制了隧道围岩形变，减小了衬砌钢拱架的刚性位移。同时，新技术施工方便、效率高、操作简便，对风积砂质黄土隧道有较强的适用性。

4 结 论

结合隧道实际施工情况，本文通过数值模拟、工程分析对浅埋风积砂质黄土施工过程力学效应及支护侵限段迈式管棚超前支护安全撤换技术进行了较为详细的研究。

(1)选用三台阶临时仰拱法，应用数值模拟的方法分析隧道开挖施工效果，为后续实际施工过程中遇到的特殊地质情况提供技术支撑。计算得到：三台阶临时仰拱法满足隧道施工要求，计算最大拱顶沉降量26mm，水平方向最大收敛值16mm，竖直方向最大位移26mm，主要发生在腰拱处。初步支护的最小安全系数为1.51，满足设计要求。

(2)在实际隧道施工过程中，根据隧道侵限情况，依托施工过程中实际监测数据、隧道支护设计参数和施工前隧道模拟计算结果，选用二差法对参数进行反演，得到侵限段隧道地层地质力学参数。模拟得到，迈式管棚超前支护作为纵向支撑、钢拱架作为环形支撑的变形综合控制体系方法可以有效控制隧道围岩变形，承受侵限土体压力和约束变形，减少围岩受施工期间的扰动。数据显示，使用该综合防控技术方法，隧洞最大拱顶下沉30.4mm、最大水平收敛48.5mm，地表最大沉降11.4mm。隧道围岩塑性区的分布与发展和施用锚杆的长度有一定关系，施用锚杆长度越大，对围岩的加固效果越好，抑制隧道围岩塑性的作用越大。上中台阶处锚杆主要受拉，开挖完成后最大锚杆轴力为103kN，迈式锚杆的施用效果较好，可以为钢拱架的替换提供有效保障。

(3)研制开发了钢拱架与锁脚锚杆加固新工艺，通过定位孔、定位钢板及环形连接件使钢拱架与锁脚锚管固定更加牢固，形成整体，极限承载能力进一步提高，使打入后的锁脚锚管充分发挥支撑作用，对周边围岩提供较大的支护抗力。新技术的使用有效地限制了隧道围岩形变，减小了衬砌钢拱架的刚性位移。